CN107505736B - 基于周期性极化铌酸锂脊型波导结构的电光偏振旋转器 - Google Patents

基于周期性极化铌酸锂脊型波导结构的电光偏振旋转器 Download PDF

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Abstract

一种电光偏振旋转器，包括：依次设置于铌酸锂基底上的二氧化硅层、铌酸锂晶体薄膜层和绝缘介质保护层，铌酸锂晶体薄膜层中设有周期性的铌酸锂脊型波导、划槽以及设置于划槽内的嵌入式电极，藉由在铌酸锂脊型波导的侧面方向上施加电场，通过横向电光效应，实现输入光在铌酸锂脊型波导中的偏振旋转。本发明利用周期性极化铌酸锂脊型波导结构，具有电光控制、体积小、驱动电压低、响应速度快、偏振精度高、可集成、损伤阈值高等优点。

Description

基于周期性极化铌酸锂脊型波导结构的电光偏振旋转器
技术领域
本发明涉及的是一种光电子、光通信领域的技术，具体是一种基于周期性极化铌酸锂脊型波导结构的电光偏振旋转器。
背景技术
目前，对光偏振的控制主要有机械式、液晶式和电光调制等类型。机械式偏振控制器如空间波片旋转器、挤压型光纤偏振控制器等。波片旋转器是基于波片本身的自然双折射特性，通过手动或者电控方式旋转波片主轴方向，从而达到偏振控制的目的；而利用挤压光纤产生的应力双折射来改变偏振态，结构比较简单，但偏振态无法精确控制。液晶型偏振控制器是利用液晶分子在电场中取向产生的双折射，但受液晶材料本身的限制，其响应速度一般在微秒甚至毫秒量级，而且光损伤阈值较小。电光调制器是利用晶体的电光效应产生的双折射来控制光偏振态的，这类控制方法响应速度快、控制精度高。但由于晶体的电光系数小，通常体器件所用的晶体尺寸也很大，需要很大的驱动电压。传统的基于晶体的电光调制器的尺寸和质量都较大，不易于集成，体积大、驱动电压高。其驱动电压一般在千伏以上。总之，目前的偏振控制器大多涵盖了尺寸大、高压驱动、精度低、响应慢、不宜集成等缺点。
发明内容
本发明针对现有扩散型波导的折射率对比度小，光场局域性不强；扩散波导损伤阈值较低，在高功率输入的情况下也容易损伤等缺陷，提出一种基于周期性极化铌酸锂脊型波导结构的电光偏振旋转器，基于横向电光效应，通过施加在周期性极化铌酸锂脊型波导两侧的横向电场，使其形成Solc滤波器构型的摇摆畴结构。光在通过这些摇摆畴结构时发生偏振耦合，输出光的偏振最终旋转特定角度，从而实现电信号对光偏振方向的控制。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种电光偏振旋转器，包括：依次设置于铌酸锂基底上的二氧化硅层、铌酸锂晶体薄膜层和绝缘介质保护层，其中：铌酸锂晶体薄膜层中设有周期性的铌酸锂脊型波导、划槽以及设置于划槽内的嵌入式电极，藉由在铌酸锂脊型波导的侧面方向上施加电场，通过横向电光效应，实现输入光在铌酸锂脊型波导中的偏振旋转。
所述的电光偏振旋转器外部进一步设有封装结构，该封装结构包括基座、保偏光纤和外部接口，其中：保偏光纤与基座固定连接，通过光纤端面耦合直接将偏振光耦合进铌酸锂脊型波导。
所述的外部接口包括：SMA接口和TEC接口。
所述的封装结构上进一步设有光准直器，该光准直器将从输出端面耦合出的光整形成空间平行光。
所述的光准直器为折射率梯度透镜、微透镜组等。
所述的准直器也可以直接用单模光纤替代，从而形成光纤输入光纤输出器件。
本发明涉及上述电光偏振旋转器的制备方法，通过在铌酸锂晶体基底上沉积一层二氧化硅层，其上键合周期性极化铌酸锂晶体，并通过化学机械研磨工艺减薄至微米级，形成周期性极化铌酸锂晶体薄膜，该铌酸锂晶体薄膜层通过高精度光学级划片工艺加工出平行划槽，中间预留几个微米宽的脊型结构，即铌酸锂脊型波导。
所述的铌酸锂波导即为平行划槽之间预留的脊型结构。
所述的横向电场通过嵌入在划槽中的金属电极施加，通过横向电光效应，偏振光经过周期性极化铌酸锂脊型波导后偏振发生旋转。
所述的周期性极化铌酸锂的极化周期正好可补偿输入光在晶体中偏振耦合过程中的动量失配。
技术效果
与现有技术相比，本发明基于横向电光效应，通过施加在周期性性极化铌酸锂晶体脊型结构两侧的横向电压，形成Solc滤波器构型的摇摆畴结构。光在通过这些摇摆畴结构时发生偏振耦合，从而实现电信号对光偏振方向的控制。
本发明的技术效果包括：
一、本发明具有尺寸小、驱动电压低、易于集成等优点。器件均为固态，无可移动部件,可以有效避免机械振动带来得相关噪声和不稳定性；
二、原理上，偏振旋转角度与所加载的电信号呈简单的线性关系，具有很好的响应特性；
三、电光效应的响应速度快，可以实现快速的偏振控制。在匹配波长下，输出光旋转时始终保持线偏振特性；
四、脊型波导比其它扩散型的同类波导能承受的光功率更高，可适用于大功率光的控制。脊型波导的折射率对比度高，可用于制备更小尺寸的器件。
附图说明
图1是本发明提出的电光偏振旋转器的结构示意图；
图2是本发明提出的电光偏振旋转器的侧视结构示意图；
图3是本发明提出的电光偏振旋转器中铌酸锂薄膜晶体的横截面结构示意图；
图4是本发明提出的电光偏振旋转器的封装结构示意图。
图中：1保偏光纤、11光纤固定、2铌酸锂晶体、21铌酸锂基底、22二氧化硅层、23铌酸锂晶体薄膜层、24划槽及嵌入式电极、25铌酸锂脊型波导、26绝缘介质保护层、3光准直器、4基座、41SMA接口、42TEC接口。
具体实施方式
实施例1
如图1和图2所示，本实施例包括：依次设置于基座4上且位于同一水平高度的保偏光纤1、铌酸锂晶体2和光准直器3，其中的铌酸锂晶体2包括：依次设置于铌酸锂基底21上的二氧化硅层22、铌酸锂晶体薄膜层23和绝缘介质保护层26，其中：铌酸锂晶体薄膜层23中设有周期性的铌酸锂脊型波导25、划槽以及嵌入式电极24。
所述的保偏光纤1输入通信1550nm波段激光，光在脊型波导结构中传输，与周期性极化铌酸锂晶体类似；不同的是，由于脊型波导结构的存在，使得横向电极的间距变得非常小，同等电场强度下所需施加的电压显著变小。与Solc滤波器扇形结构相类似，在横向电光效应的作用下，光在周期性摇摆的畴结构中偏振发生摆动。最后偏振旋转过的输出光通过准直器3整形变成空间平行光输出。
如图3所示，所述的铌酸锂基底21为z切，厚度为0.5mm，长度为25mm。在其上面沉积一层1-2μm厚的二氧化硅层22，防止波导中的导模通过倏逝波泄露至铌酸锂基底层。铌酸锂晶体薄膜层23利用周期性极化的铌酸锂晶体键合在二氧化硅层22上，z面为键合面。
所述的周期性极化的铌酸锂晶体的极化周期需要满足准相位匹配条件，周期性铌酸锂晶体的厚度为0.5mm，在键合后通过化学机械研磨抛光的方法，将其减薄至所需的微米级厚度。
所述的嵌入式电极24嵌入在高精度光学级划片工艺制备的划槽内，光学导模则位于两个划槽形成的脊型波导25结构中。
所述的绝缘介质保护层26是光学透明的填充介质层，填充材料可为PMMA。其作用在于作为机械保护层同时还可防止空气电击穿等。
如图4所示，为电光偏振旋转器的封装结构，该封装结构将保偏光纤1通过紫外胶11固定在基座的V型固定槽内，通过光纤端面耦合直接将偏振光耦合进铌酸锂脊型波导25，从输出端面耦合出的光在空间中自然发散，通过光准直器3可以是折射率梯度透镜、微透镜组等形成相对平行的空间光输出。
所述的保偏光纤1的快轴方向与铌酸锂晶体2的晶轴方向一致。
用于驱动铌酸锂晶体2的外部电压通过设置于封装结构上的SMA接口41输入，接口电极通过金丝导线焊接在脊型波导两侧的嵌入式电极24上；通过外部电压可得到不同偏振角度θ的输出光，从而得到一种低压驱动的电光偏振旋转器。
所述的偏振角度其中：γ51为电光系数，正负畴的电光系数的符号相反；no,ne分别是光在晶体中传输时寻常光(o光)和非常光(e光)的折射率；E是施加的横向电场强度。对于满足半波片的波长且线偏振入射时，其出射时偏振将旋转2Nθ角度，其中N表示PPLN畴的数目。那么，当线性改变外加横向电场时，光的偏振旋转角将随外加电场发生变化，这与半波片改变光的偏振角相似。
所述的电光系数γ51/[(1/ne)2-(1/no)2]项的数量级(10-9)非常小，这意味着一个畴引起的偏转角非常小，因此该方法可以达到的精度也将非常高。其工作波长，即满足半波片的波长，满足λ＝Λ/(no-ne)。这与o光和e光之间的偏振耦合满足准相位匹配条件的实质是一致的。同时，由于铌酸锂晶体的o光和e光的折射率随温度变化(满足Sellmeier方程)，因此还可以通过改变温度来对偏振旋转器的工作波长进行小范围的调节。
对于铌酸锂材料，电光系数γ51≈32pm/V。室温下，1550nm输入光(no＝2.211,ne＝2.136)对应的极化周期约为20μm。25mm的PPLN畴的数据约为2500个，则可计算得线偏振光经过PPLN后的偏振旋转角度(单位：度)与横向电场强度(单位：V/mm)满足：θr(degree)≈0.64E(V/mm)。
可以看到偏振旋转角度与所加载的电信号呈简单的线性关系，具有很好的响应特性。
当脊型波导的宽度为10μm，则偏振旋转90度所需施加的电压为1.4V。半波电压Vπ≈1.4V。即使脊型波导的厚度和宽度为0.1mm尺度，所需的半波电压也只有14V。因此只需较小的驱动电压就可以实现偏振的旋转，极大地低于传统的普克尔盒。
另外，铌酸锂晶体的电光效应具有很高的响应速度(皮秒量级)，从而利用这一结构原理上将可以实现高速的偏振旋转。
所述的封装结构上进一步设有TEC接口42作为基底温控芯片的输入端，用于精确控制铌酸锂晶体的温度。
本实施例中的输出光不一定使用准直器3整形成空间平行光，也可直接耦合进单模光纤，从而可以将器件直接接入光网络系统。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (9)

1.一种电光偏振旋转器，其特征在于，包括：依次设置于铌酸锂基底上的二氧化硅层、铌酸锂晶体薄膜层和绝缘介质保护层，其中：铌酸锂晶体薄膜层中设有周期性的用于减少电极之间间距的铌酸锂脊型波导、基于高精度光学级划片工艺的划槽以及设置于划槽内的嵌入式电极，藉由在铌酸锂脊型波导的侧面方向上施加电场，通过横向电光效应，实现输入光在铌酸锂脊型波导中的偏振旋转；
所述的电光偏振旋转器进一步设有封装结构，该封装结构包括基座、保偏光纤和外部接口，其中：保偏光纤与基座固定连接，通过光纤端面耦合直接将偏振光耦合进铌酸锂脊型波导，保偏光纤的快轴方向与铌酸锂晶体的晶轴方向一致。
2.根据权利要求1所述的电光偏振旋转器，其特征是，所述的外部接口包括：SMA接口和TEC接口。
3.根据权利要求1所述的电光偏振旋转器，其特征是，所述的封装结构上进一步设有光准直器，该光准直器将从输出端面耦合出的光整形成空间平行光。
4.根据权利要求1所述的电光偏振旋转器，其特征是，所述的光准直器为折射率梯度透镜、微透镜组。
5.根据权利要求1所述的电光偏振旋转器，其特征是，所述的封装结构上进一步设有单模光纤，从而形成光纤输入光纤输出器件。
6.根据权利要求1所述的电光偏振旋转器，其特征是，所述的偏振旋转，其偏振角度其中：γ51为电光系数，正负畴的电光系数的符号相反；no,ne分别是光在晶体中传输时寻常光和非常光的折射率；E是施加的横向电场强度。
7.一种制备上述任一权利要求所述电光偏振旋转器的方法，其特征在于，通过在铌酸锂晶体基底上沉积一层二氧化硅层，其上键合周期性极化铌酸锂晶体，并通过化学机械研磨工艺减薄至微米级，形成周期性极化铌酸锂晶体薄膜，该铌酸锂晶体薄膜层通过高精度光学级划片工艺加工出平行划槽，中间预留几个微米宽的脊型结构，即铌酸锂脊型波导。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征是，所述的铌酸锂晶体基底的厚度为0.5mm，周期性极化铌酸锂晶体薄膜的厚度为5-10μm；二氧化硅层的厚度为1-2μm，周期性极化铌酸锂晶体的晶体长度为25mm。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征是，所述的划槽深度为5-10μm，宽度为30μm，两个划槽之间自然形成的脊型结构为光传输的波导，即铌酸锂脊型波导。
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